利用ROHM感測器評估套件實現UCLA AirMouse – 第1部分

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今天，我們介紹一款由洛加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）電氣和電子工程師協會（IEEE）學生分會一群聰明的工程師研發的3D AirMouse。AirMouse的功能與傳統電腦滑鼠非常類似，但是能夠檢測三維運動。

Device Plus已經與100多所美國頂尖大學展開合作，希望通過資助一些缺乏資金或資源的專案來促進學生創新。目前，Device Plus正在提供硬體贊助計畫，並希望與活躍的學生工程組織合作，以構建我們的“連接”部分。請通過以下電子郵件聯繫我們，獲取有關這個機會的更多資訊： info@deviceplus.com!

加州大學洛杉磯分校IEEE

加州大學洛杉磯分校IEEE（UCLA IEEE）是一個IEEE學生分會，致力於“為全校工程學生帶來親身實踐體驗”。該專案完全由學生們自己運作，高年級學生負責指導參與專案計畫的新成員。進階專案（Advanced Projects）是UCLA IEEE為期四年的專案之一，旨在讓具有中等硬體和軟體經驗的學生學習微控制器硬體、通信協定、原理圖和電路板設計等高級主題。

參與進階專案（Advanced Projects）的學生組成多個2-4人的團隊，在學年的三個季度中研發兩個專案。通過第一個專案——AirMouse，學生將學習不同的通信協定、硬體暫存器和暫存器使用等概念。有了這些知識，學生們將在接下來的兩個季度中繼續構建自己的四軸飛行器，同時還會學習其他概念，比如使用MOSFET作為開關以及PWM速度控制等。

更多資訊請參閱 http://ieeebruins.org

作為UCLA IEEE進階專案（Advanced Projects）計畫的一部分，最初的AirMouse由Rahul Iyer、Aaron和Andrew Wilhelm研發。

AirMouse 概述

我們都用過電腦滑鼠，但是它們只能在桌面之類的平面上工作。在本教程中，我們將製作一個“AirMouse”——一個能夠在3D空間中運行的電腦滑鼠！使用者通過傾斜滑鼠就可以讓螢幕上的游標行動，從而可以進行大範圍自訂動作。我們首先展示構建AirMouse的基礎知識，然後介紹如何擴展其功能！

AirMouse主要由兩個部分組成：戴在手上的滑鼠發射機和連接使用者電腦的接收器。發射機收集滑鼠的方向和按鈕狀態資訊；而接收器轉換這些資訊，從而在電腦螢幕上執行相應操作。

為了易用性和簡潔性，我們最初利用Arduino Pro Mini和Teensy 3.2微控制器——市場上深受業餘愛好者歡迎的兩種最小的微控制器——構建AirMouse。兩個微控制器通過一對nRF24L01 RF模組進行無線通訊，AirMouse使用MPU6050加速度計檢測運動。

然而，在本教程中，我們將向您展示一種更簡單的AirMouse構建方法：Arduino Uno結合ROHM感測器研發板上的加速度計。由於該ROHM感測器研發板結構緊湊，而且附帶的庫可以處理 I²C 通信，因此大大簡化了設計。

硬體：

發射機：

• 1 x Arduino Uno 微控制器
• 1 x ROHM 感測器評估套件
• 1 x ROHM 加速度計 (KX022-1020)
• 1 x nRF24L01+ RF 模組
• 排母
• 滑動開關
• 1 x 可焊接試驗電路板，足夠大，能焊接微控制器和所有電子器件
• 2 x 按鍵
• 1 x 1s LiPo 電池
• 1 x 1kΩ 電阻
• 1 x 3.3kΩ 電阻

接收器：

• 1 x Teensy 3.2 微控制器
• 1 x NRF24L01+ RF 模組
• 排母
• 1 x 可焊接試驗電路板，足夠大，能焊接微控制器和所有電子器件
• 1 x 紅、黃、綠LED燈
• 1 x 150Ω 電阻

硬體組裝

這一步您可以發揮自己的創造力！只要按照下圖所示的接線圖進行接線即可，各個元件的實際位置並不重要。但是請確保AirMouse使用起來非常舒適！比如，您可能需要按照姿勢舒服、暢通無阻的方式安裝左鍵和按右鍵按鈕。

然而，組裝這些裝置之前，讓我們來看一下必須建立的不同連接。

發射機

圖1 發射機原理圖（請注意RF模組的Vcc連至3.3V！）

圖2 Arduino Uno的麵包板“蓋板”
由於Uno的連接器與麵包板的孔間距（0.1〞）並不完全吻合，因此按鈕數位輸入線需要使用跳線（藍色）。

兩個RF模組通過SPI匯流排分別連至各自的微控制器。要瞭解有關不同通信協定和SPI的更多資訊，請查看我們的 Arduino 通信協議教材！ SPI在RF通信等應用中非常有用，因為其資料傳輸速度快，允許兩個器件以高資料速率、低延遲和高可靠性相互傳輸大量資料。正如我們在本教程中討論的那樣，SPI通信是同步的、雙向的，這兩個特性顯著提高了資料發送和接收速度。

RF模組的 MOSI、MISO和SCK 線路必須連接Arduino上的特定引腳。這些引腳的介紹如下：

RF模組的 CE 腳表示 Chip Enable（晶片賦能）, 可以用來讓RF模組進入待機/睡眠模式。RF模組的 CS 腳是SPI從機選擇引腳。這兩個引腳必須連至Arduino上的兩個單獨GPIO引腳，但是不需要連至任何具體引腳。

圖3 Arduino Uno和RF模組的接線圖

Arduino Uno工作電壓為5V，而nRF24L01+工作電壓為3.3V。兩者工作電壓存在差異，但是我們可以利用Arduino的輸出引腳為RF模組供電，並且不會損壞RF模組。nRF24L01+模組的電源（Vcc）引腳應連至Uno上的Arduino穩壓3.3V輸出。切勿將Vcc引腳連至5V，否則可能會損壞模組！在這個專案中，使用Arduino上的穩壓輸出為RF模組供電是可行的，因為（1）RF模組的電流消耗非常低；（2）在軟體中，我們將配置無線電的功率放大器，讓其處於較低功率模式。

無線模組中間的nRF24L01+晶片的Nordic Semiconductor 資料表表明，該模組的射極和接收電流分別為11.3mA和13.5mA。而Arduino的核心Atmel晶片能夠在每個數位引腳上提供高達40mA的電流，因此在最低射極和接收功率設定下（對於這個專案來說已經足夠），Arduino能夠成功地為RF模組供電。在Arduino代碼中，我們會通過命令 setPALevel(RF24_PA_LOW) 指定 LOW（低）功耗模式，告訴RF模組其功耗不能超過它的次低功率等級（設定選項包括MIN、LOW、HIGH和MAX）。

現在我們來看一下這些引腳在RF模組上的實際位置。具體引腳位置請參見下方的引腳說明。

圖4 nRF24L01+ RF模組的引腳排列
模組的引腳1用正方形表示。請注意，模組與插頭引腳並不對稱。/ ©Addicore

連接RF模組時，您可能需要在試驗電路板上使用排母。這樣，如有必要，您可以從試驗板上拆下模組。

此外，在焊接4×2排針的連接時要特別小心——引腳之間的距離非常小，任何不必要的短路都會損壞模組！請確保排針連接器周圍留有足夠空間，以便可以輕鬆進行焊接工作。

滑鼠左鍵和右鍵的功能按鈕連至設定為輸入的Arduino數位引腳。我們通過佈置每個按鈕，使得數位引腳在按一下按鈕時讀取邏輯高電平，否則為邏輯低電平。按鈕連接的放大圖如下所示：

圖5 本專案使用的按鈕佈局
按下此按鈕時，GPIO腳接通Vcc。

從上圖可以看出，按一下按鈕時，GPIO引腳直接連至Vcc。沒有按下按鈕時，GPIO引腳和地之間的電阻將GPIO引腳“拉低”到地，因此稱為下拉電阻。這種做法是為了避免數位輸入引腳的懸空邏輯電平問題。當數位輸入不確定（或者連接邏輯高或者連接邏輯低）時，會出現這種情況，即使沒有連接也會由於系統雜訊導致不可預知的行為，比如高讀數或低讀數。我們需要一個高阻值電阻（在這種情況下，10k電阻即可），因為只要點擊按鈕，將GPIO引腳接地就會導致Vcc和地之間短路。按下按鈕電路形成閉環時，電阻會降低Vcc和地之間的電流，從而防止出現危險的短路情況。

圖6 ROHM感測器研發板上方的麵包板
感測器研發板隨附的KX022加速度計模組可完美安裝在I2C連接器頂部和麵包板下方。

幸運的是，對於我們來說，ROHM感測器研發板已經完成了所有的 I²C 硬體連接，這大大簡化了 I²C 硬體設定，使用者只需將加速度模組連至 I²C 的一個連接器即可！要瞭解有關 I²C 工作的更多資訊，請訪問我們的 Arduino 通信協議教材!

接收器

圖7 接收器原理圖（如上所示，RF模組的Vcc連至3.3V！）

圖8 接收器模組
GPIO引腳連接了兩個LED，以便進行調試

接收端的連接與發送端非常相似。RF模組的不同SPI引腳連至Teensy微控制器上的匹配引腳（與Arduino相同的引腳）。您還可以添加LED，以便進行調試和資訊顯示。

組裝AirMouse是構建過程中最乏味的地方，但是，您可以充分發揮您的創意！請嘗試把模組做得更小、更符合人體工程學，並與我們分享您的想法和作品吧！

請確保在通風良好的區域進行焊接並使用高品質裝置，並經常休息。您完成硬體構建之後，請參閱本文的第2部分 – 軟體部分！

Device Plus正在尋找與活躍的學生工程組織和實驗室展開合作。想瞭解我們硬體贊助計畫的更多資訊，請通過以下電子郵件聯繫我們： info@deviceplus.com

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